Sách bài tập KHTN 9 Bài 13 (Kết nối tri thức): Năng lượng của dòng diện và công suất điện

Giải SBT KHTN 9 Bài 13: Năng lượng của dòng diện và công suất điện

Bài 13.1 trang 34 Sách bài tập KHTN 9: Trên một bóng đèn có ghi 12 V - 6 W. Đèn này được sử dụng với đúng hiệu điện thế định mức. Hãy tính:

a) Điện trở của đèn khi đó.

b) Điện năng mà đèn sử dụng trong 5 giờ.

Lời giải:

a) Cường độ dòng điện của đèn là: $I=\frac{P}{U}=\frac{6}{12}=0,5A$

Điện trở của đèn là: $R=\frac{U}{I}=\frac{12}{0,5}=24\Omega .$

b) Điện năng mà đèn sử dụng trong 5 giờ là: A = P. t = 6 . 5 . 3600 = 108 000 J.

Bài 13.2 trang 34 Sách bài tập KHTN 9: Một bóng đèn có ghi 220 V - 100 W được mắc vào hiệu điện thế 220 V. Biết đèn được sử dụng trung bình 4 giờ một ngày. Điện năng tiêu thụ của bóng đèn này trong 30 ngày là bao nhiêu?

A. 12 kW.h.

B. 400 kW.h.

C. 1 440 kW.h.

D. 43 200 kW.h.

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

Điện năng tiêu thụ của bóng đèn này trong 30 ngày là 100 . 4 . 30 = 12 kW.h.

Bài 13.3 trang 35 Sách bài tập KHTN 9: Cường độ dòng điện chạy trong bóng đèn nào trong hai mạch điện ở Hình 13.1 lớn hơn? Bóng đèn nào có điện trở lớn hơn?

Lời giải:

Theo Hình 13.1, tính được:

$I_1=\frac{P_1}{U_1}=\frac{12}{4}=3A.$

$I_2=\frac{P_2}{U_2}=\frac{12}{6}=2A.$

Từ đó, ta tính được điện trở:

$R_1=\frac{U_1}{I_1}=\frac{4}{3}\Omega .$

$R_2=\frac{U_2}{I_2}=\frac{6}{2}=3\Omega .$

Từ kết quả trên, ta thấy I₁ lớn hơn; R₂ lớn hơn.

Bài 13.4 trang 35 Sách bài tập KHTN 9: Hai đoạn dây dẫn, mỗi đoạn có điện trở 5 $\Omega$. Ban đầu hai điện trở mắc nối tiếp, sau đó được mắc song song. Trong cả hai trường hợp đểu mắc đoạn mạch vào hiệu điện thế 4,5 V. Xét trong cùng một thời gian, với trường hợp nào thì điện năng tiêu thụ lớn hơn và lớn hơn bao nhiêu lần?

Lời giải:

Khi hai điện trở mắc song song thì: R_// = $\frac{R_1.R_2}{R_1+R_2}=\frac{5.5}{5+5}=2,5\Omega$

$\Rightarrow I_{//}=\frac{U}{R_{//}}=\frac{4,5}{2,5}=1,8A.$

$\Rightarrow P_{//}=U{I}_{//}=4,5.1,8=8,1\left(\text{W}\right).$

Khi hai điện trở mắc nối tiếp thì: R_nt = R₁ + R₂ = 5 + 5 = 10 $\Omega$

$\Rightarrow I_{nt}=\frac{U}{R_{nt}}=\frac{4,5}{10}=0,45A.$

$\Rightarrow P_{nt}=U{I}_{nt}=4,5.0,45=2,025\left(\text{W}\right).$

So sánh 2 giá trị công suất (P_// > P_nt) thì khi xét trong cùng một thời gian, với trường hợp hai điện trở mắc song song, điện năng tiêu thụ lớn hơn so với trường hợp hai điện trở mắc nối tiếp.

Ta có: Trong cùng một thời gian thì $\frac{A_{//}}{A_{nt}}=\frac{P_{//}}{P_{nt}}=\frac{8,1}{2,025}=4$

Vậy khi xét trong cùng một thời gian, với trường hợp hai điện trở mắc song song, điện năng tiêu thụ lớn gấp 4 lần so với trường hợp hai điện trở mắc nối tiếp.

Bài 13.5 trang 35 Sách bài tập KHTN 9: Có thể dùng sơ đổ mạch điện nào dưới đây (Hình 13.2) để xác định công suất tiêu thụ điện trên điện trở R?

A. Sơ đồ 1.

B. Sơ đồ 2.

C. Sơ đồ 3.

D. Sơ đồ 4.

Lời giải:

Đáp án đúng là: D

Các mạch điện thường dùng để đo công suất:

- Mạch điện gồm nguồn điện, điện trở R và ampe kế mắc nối tiếp:

+ Đo cường độ dòng điện I chạy qua điện trở R bằng ampe kế.

+ Đo hiệu điện thế U giữa hai đầu điện trở R bằng vôn kế mắc song song với điện trở.

+ Tính công suất tiêu thụ bằng công thức P = U.I.

- Mạch điện gồm nguồn điện, điện trở R và vôn kế mắc song song:

+ Đo hiệu điện thế U giữa hai đầu điện trở R bằng vôn kế.

+ Tính cường độ dòng điện I chạy qua điện trở bằng công thức I = U/R.

+ Tính công suất tiêu thụ bằng công thức P = U.I.

Sơ đồ 4 là một mạch gồm nguồn điện, điện trở R, ampe kế A mắc nối tiếp và vôn kế V mắc song song với điện trở R, hoàn toàn có thể sử dụng mạch điện này để xác định công suất tiêu thụ trên điện trở R.

Bài 13.6 trang 35 Sách bài tập KHTN 9: Ba điện trở được mắc theo sơ đồ mạch điện ở Hình 13.3. So sánh công suất tiêu thụ điện trên điện trở R₃ và trên điện trở R₁ khi đóng khoá K.

Lời giải:

Theo Hình 13.3 ta có (R₁ // R₂) nt R₃

R₁₂ = $\frac{R_1.R_2}{R_1+R_2}=\frac{4.4}{4+4}=2\Omega$

R₁₂₃ = R₁₂ + R₃ = 2 + 2 = 4 $\Omega$

$\Rightarrow I=\frac{U}{R_{123}}=\frac{12}{4}=3A$

Ta có: Vì R₁₂ nối tiếp với R₃ nên I₁₂ = I₃ = I = 3A

→ U₃ = IR₃ = 3 . 2 = 6 V

→ P ₃ = U₃I = 6 . 3 = 18 W.

Ta có: R₁ song song với R₂ nên hiệu điện thế giữa hai đầu chúng bằng nhau và bằng hiệu điện thế toàn mạch trừ đi hiệu điện thế U₃.

U₁ = U – U₃ = 12 – 6 = 6 V

→ $P_1=\frac{U_1^2}{R_1}=\frac{6^2}{4}=9W$

Vậy P ₃ = 2 P ₁, điện trở R₃ tiêu thụ công suất lớn hơn điện trở R₁.

Bài 13.7 trang 36 Sách bài tập KHTN 9: Một mạch điện được mắc như Hình 13.4. Xác định cường độ dòng điện chạy trong mạch và công suất tiêu thụ điện trên điện trở R₂ khi đóng khoá K.

Lời giải:

Khi khoá K đóng, R₁ nối tiếp R₂ nên ta có:

R_tđ = R₁ + R₂ = 5 + 15 = 20 $\Omega$

Vậy cường độ dòng điện chạy trong mạch là: $I=\frac{U}{R_{td}}=\frac{20}{20}=1A.$

I = I₁ = I₂ = 1 A → U₂ = I₂.R₂ = 1 . 15 = 15 V.

Vậy công suất tiêu thụ điện trên điện trở R₂ là: P ₂ = U₂.I₂ = 15 . 1 = 15 W.

Bài 13.8 trang 36 Sách bài tập KHTN 9: Trên bóng đèn dây tóc Đ₁ có ghi 220 V - 100 W và trên bóng đèn dây tóc Đ₂ có ghi 220 V - 40 W.

a) So sánh điện trở của hai bóng đèn khi chúng sáng bình thường.

b) Mắc nối tiếp hai bóng này vào hiệu điện thế 220 V thì đèn nào sáng hơn, vì sao? Tính điện năng mà mạch điện này sử dụng trong 1 giờ. Cho rằng điện trở của các bóng đèn có giá trị như khi chúng sáng bình thường.

c) Mắc song song hai bóng đèn này vào hiệu điện thế 220 V thì đèn nào sáng hơn, vì sao? Tính điện năng mà mạch điện này sử dụng trong 1 giờ.

Lời giải:

a) Đèn sáng bình thường, tức là đúng công suất định mức.

Ta có: $P=\frac{U^2}{R}\Rightarrow R=\frac{U^2}{P}$

Điện trở của hai bóng đèn khi chúng sáng bình thường:

R_Đ1 = $\frac{U_1^2}{P_1}=\frac{{220}^2}{100}=484\Omega$

R_Đ2 = $\frac{U_2^2}{P_2}=\frac{{220}^2}{40}=1210\Omega$ > R_Đ1

Vậy điện trở của bóng đèn 2 lớn hơn điện trở của bóng đèn 1.

b) Khi mắc nối tiếp hai đèn, đèn Đ₂ có điện trở lớn hơn nên hiệu điện thế giữa hai đầu đèn lớn hơn, do đó công suất tiêu thụ lớn hơn. Do đó, đèn Đ₂ sáng hơn.

Khi mắc nối tiếp hai đèn, thì R = R_Đ1 + R_Đ2 = 484 + 1210 = 1694 $\Omega$

Cường độ dòng điện trong mạch là: $I=\frac{U}{R}=\frac{220}{1694}=\frac{110}{847}A.$

Vậy điện năng tiêu thụ trong 1 giờ là: A = Pt = UIt = $220.\frac{110}{857}.3600\approx 103000J.$

c) Mắc song song hai bóng đèn này vào hiệu điện thế 220 V thì 2 đèn được dùng đúng hiệu điện thế định mức nên đèn nào có công suất định mức lớn hơn thì sáng hơn.

Ta có: $P=\frac{U^2}{R}$ mà R₁ < R₂ nên P₁ > P₂.

Vậy đèn 1 sáng hơn.

Điện năng mà mạch điện tiêu thụ trong 1 giờ: A = P t = (100 + 40).3600 = 504000J.

Bài 13.9 trang 36 Sách bài tập KHTN 9: Sử dụng loại đèn nào dưới đây tiết kiệm điện nhất?

A. Đèn compact.

B. Đèn dây tóc nóng sáng.

C. Đèn LED (điốt phát quang).

D. Đèn ống (đèn huỳnh quang).

Lời giải:

Đáp án đúng là: C

- Đèn compact loại bóng xoáy cho hiệu suất chiếu sáng tốt và tiết kiệm điện năng hơn so với bóng đèn thông thường (đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang lớn).

- Đèn LED tiết kiệm điện có khả năng tiết kiệm từ 80% đến 90% điện năng so với đèn sợi đốt, cường độ chiếu sáng của đèn này cao hơn bóng đèn sợi đốt và đèn compact.

Vậy sử dụng loại đèn LED (điốt phát quang) tiết kiệm điện nhất.

Bài 13.10 trang 36 Sách bài tập KHTN 9: Một bàn là điện được sử dụng với đúng hiệu điện thế định mức là 220 V, trong 15 phút tiêu thụ một lượng điện năng là 720 kJ. Hãy tính:

a) Công suất điện của bàn là.

b) Cường độ dòng điện chạy qua bàn là và điện trở của nó khi đó.

Lời giải:

a) Công suất điện của bàn là: $P=\frac{A}{t}=\frac{{720.10}^3}{15.60}=800\left(\text{W}\right).$

b) Cường độ dòng điện chạy qua bàn là: $I=\frac{P}{U}=\frac{800}{220}\approx 3,64A$

Điện trở của bàn là: $R=\frac{U^2}{P}=\frac{{220}^2}{800}=60,5\Omega$

Bài 13.11 trang 36 Sách bài tập KHTN 9: Bóng đèn tiết kiệm điện

Bóng đèn tiết kiệm điện là bóng đèn được áp dụng công nghệ chiếu sáng tiên tiến nên sử dụng ít năng lượng điện hơn so với các loại bóng đèn truyền thống (bóng đèn sợi đốt, bóng đèn huỳnh quang), do đó giảm chi phí tiền điện đáng kể. Vì thế bóng đèn tiết kiệm điện là một trong những loại đèn được sử dụng nhiều nhất hiện nay.

Sử dụng bóng đèn tiết kiệm điện có ít nhất bốn lợi ích:

- Tiết kiệm điện, do đó giảm chi phí tiền điện hàng tháng;

- Bảo vệ môi trường vì giảm tiêu thụ năng lượng điện nên giảm phát thải khí nhà kính;

- Ánh sáng chất lượng cao, ánh sáng đèn toả ra không làm chói mắt;

- Tuổi thọ dài nên giảm tần suất, chi phí thay thế bóng đèn.

Hai loại đèn tiết kiệm điện được sử dụng nhiều nhất hiện nay là đèn LED và đèn compact tiết kiệm điện:

- Đèn compact loại bóng xoáy cho hiệu suất chiếu sáng tốt và tiết kiệm điện năng hơn so với bóng đèn thông thường (đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang lớn). Năng lượng điện tiêu thụ của nó chỉ bằng 20% năng lượng tiêu thụ của đèn sợi đốt cùng cường độ sáng, đặc biệt nhiệt toả ra rất thấp, không nóng. Tuổi thọ của đèn compact đạt tới 6 000 giờ.

- Đèn LED tiết kiệm điện có khả năng tiết kiệm từ 80% đến 90% điện năng so với đèn sợi đốt, cường độ chiếu sáng của đèn này cao hơn bóng đèn sợi đốt và đèn compact.

a) Hãy khoanh vào từ "Đúng" hoặc "Sai" để đánh giá mỗi nhận định dưới đây về bóng đèn tiết kiệm điện.

b) Phải thay bóng đèn compact có công suất bằng bao nhiêu cho bóng đèn sợi đốt công suất 60 W để đảm bảo có cùng cường độ sáng?

c) Điều nào không đúng khi nói về lợi ích của việc sử dụng bóng đèn tiết kiệm điện?

A. Tiết kiệm điện năng tiêu thụ.

B. Giảm chi phí tiền điện.

C. Sưởi ấm căn phòng.

D.Tuổi thọ dài.

d) Thay bóng đèn sợi đốt 60 W bằng bóng đèn compact công suất 12 W tiết kiệm được bao nhiêu điện năng trong một ngày? Biết mỗi ngày thắp sáng đèn trong 4 giờ.

Lời giải:

a) 1 – Sai; 2 – Đúng; 3 – Sai; 4 – Sai.

b) Vì năng lượng điện tiêu thụ của đèn compact chỉ bằng 20% năng lượng tiêu thụ của đèn sợi đốt cùng cường độ sáng, nên phải thay bóng đèn compact có công suất bằng 20%.60 = 12W cho bóng đèn sợi đốt công suất 60 W để đảm bảo có cùng cường độ sáng.

c) Đáp án đúng là: C

Vì sử dụng bóng đèn tiết kiệm điện có ít nhất bốn lợi ích:

- Tiết kiệm điện, do đó giảm chi phí tiền điện hàng tháng;

- Bảo vệ môi trường vì giảm tiêu thụ năng lượng điện nên giảm phát thải khí nhà kính;

- Ánh sáng chất lượng cao, ánh sáng đèn toả ra không làm chói mắt;

- Tuổi thọ dài nên giảm tần suất, chi phí thay thế bóng đèn.

d) Thay bóng đèn sợi đốt 60 W bằng bóng đèn compact công suất 12 W tiết kiệm được A = P t = (60 – 12) . 4 . 3600 = 691 200J điện năng trong một ngày, biết mỗi ngày thắp sáng đèn trong 4 giờ.

Lý thuyết KHTN 9 Bài 13: Năng lượng của dòng diện và công suất điện

I. Năng lượng điện

Năng lượng điện trên một đoạn mạch được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác, xác định bởi biểu thức: W = U.I.t

Trong đó:

+ W là năng lượng điện, đơn vị đo là jun (J).

+ U là hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch, đơn vị đo là vôn (V).

+ I là cường độ dòng điện, đơn vị đo là ampe (A).

+ t là thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch, đơn vị đo là giây (s).

II. Công suất điện

Công suất điện là năng lượng của dòng điện chạy qua một đoạn mạch trong một đơn vị thời gian.

$P=U.I$

Trong đó:

+ U là hiệu điện thế, đơn vị đo là vôn (V).

+ I là cường độ dòng điện, đơn vị đo là ampe (A).

+ $P$ là công suất điện, đơn vị đo là oát (W).

III. Công suất điện định mức

- Công suất điện định mức của một thiết bị điện cho biết công suất mà thiết bị đó tiêu thụ khi hoạt động bình thường.

Ví dụ: Bóng đèn ghi 220 V – 60 W nghĩa là để bóng đèn sáng bình thường cần mắc bóng đèn vào hiệu điện thế 220 V, khi đó công suất điện của bóng đèn là 60 W.

- Công tơ điện là thiết bị đo năng lượng điện. Có hai loại công tơ điện là công tơ điện cơ và công tơ điện điện tử.